1、第二章 光纖結構和傳輸特性 2.1 光纖結構和分類 按照截面積折射率的不同分為：階躍光纖、漸變光纖； 按照傳輸模式數量的不同分為：單模光纖、多模光纖； 為解決單模光纖色散和非線性問題開發的特殊光纖： 色散位移光纖; 非零色散位移光纖; 色散平坦光纖; 色散補償光纖; 根據G.652光纖的工作波長范圍以及支持的不同 傳輸速率SDH系統，對PMD和1385nm的衰減系數的 要求區分，將G.652分成4個子類：G.652A、G.652B、G.652C、G.652D。 其中G.652A、G.652B支持10Gbit/s和40Gbit/s傳輸。相對于前兩者，G.652C在1550nm處的衰減更小，消除了

2、1385nm附近的水吸收峰，系統可以工作在13601530nm。光纖類型光纖名稱主要特性應用場所G.652A非色散位移單模光纖（SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大2.5Gbit/s以下中距離傳輸，在1550nm窗口，2.5Gbit/s以上長距離傳輸需要用色散補償措施，支持單信道系統。G.652B非色散位移單模光纖（SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大2.5Gbit/s以下中距離傳輸，在1550nm窗口，2.5Gbit/s以上長距離傳輸需要用色散補償措施，支持單信道系統和多信道系統。G.652C波長段擴展的非色散位移單模光纖（EB

3、-SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大，消除了1385nm水峰，工作波長為1310nm1625nm2.5Gbit/s以下中距離傳輸，支持CWDM系統。G.652D波長段擴展的非色散位移單模光纖（EB-SSMF）零色散波長為1300-1324nm，1550nm處色散最大，消除了1385nm水峰，工作波長為1310nm1625nm2.5Gbit/s以上中距離傳輸，需要用色散補償措施，支持多信道CWDM系統。光纖類型光纖名稱主要特性應用場所G.655A非零色散位移單模光纖（ND-DSF）在1500nm處有一定的色散，可以抑制四波混頻等非線性效應支持C波段，信道間隔20

4、0GHZ以上，10Gbit/s的DWDM系統G.655B非零色散位移單模光纖（ND-DSF）在1500nm處有一定的色散，可以抑制四波混頻等非線性效應，消除1385nm水峰，工作波長為1310nm1625nm支持C、L波段，信道間隔等于100GHZ，10Gbit/s DWDM系統G.655D非零色散位移單模光纖（ND-DSF）在1500nm處有一定的色散，可以抑制四波混頻等非線性效應，消除1385nm水峰，工作波長為1530nm1625nm支持C、L波段，信道間隔小于100GHZ，10Gbit/s DWDM系統光纖選擇工作波長工作方式G.652AG.652BG.652CG.652DG.655A

5、G.655BG.655D1.31或1.55單波長1.31&1.55波分復用1.31&1.552.5Gbit/s以上單波長C+L2.5Gbit/s CWDME+S+C+L2.5Gbit/s CWDMC+L10Gbit/s DWDMC+L10Gbit/s CWDM &DWDMC+L40Gbit/s DWDM光纖發展 應用：城域網-最后一公里-大樓； 制造工藝：通信光纖大多數選用石英玻璃， 通過脫水消除石英玻璃光纖1385nm的水峰; 核心網: (1) G.655A只支持200GHz以上間隔,在C波段 的應用，也可以支持10Gbit/s速率為基礎 的DWDM系統。 (2) G

6、.655B只支持100GHz以下間隔,在C和L 波段應用，又能使N * 10Gbits系統傳輸 3000KM以上。城域網 & 局域網中的光纖技術： 城域網通信：更關注光纖的制造工藝，消除石英玻 璃光纖在1385nm的水峰，將工作波長 范圍拓寬為12601670nm，通過降 低DWDM系統成本，使價格相對低廉 的CWDM能夠應用于城域網的匯聚層 和接入層。 局域網通信：通過提高多模光纖梯度折射率分布來控 制精度和改善光源注入條件來提高石英 玻璃多模光纖的帶寬和減小光纖衰減。 2.3 光纖的特性 2.3.1 衰耗 1、衰減表征: 2、衰減系數: (/10)( )(0)10aLP LP10(

7、 )( )lg(/)(0)P LdB kmLP 3、衰減譜G.652在1550nm處的衰減最小0.2dB/km，色散高達G.653在1550nm色散為零，衰減最小。但不適合用于DWDM系統G655滿足DWDM系統多方面的要求。17/PS nm km4、衰減的起因金屬離子_OH損耗本征非本征吸收紫外吸收紅外吸收金屬離子OH- 離子 波導缺陷散射瑞利散射受激布里淵散射受激拉曼散射光纖的可用波段資源: 波段波長（nm）使用光纖應用系統第一傳輸窗口850多模光纖單通道O12601360標準單模光纖單通道、WDME13601460波長擴展光纖WDMSCLU146015301530156515651625

8、16251675非零色散位移光纖DWDM和CWDM工程設計法之（跨段）最壞值設計（跨段）最壞值設計: 發送機在S點最小平均發送光功率（dBm）； 接收機在R點最差靈敏度（dBm）； 設備富余度，取3dB。在光接口參數中已考慮； 最大光通道代價（dB）； 為什么要考慮光通道代價？ 光纖連接器損耗，通常一個中繼段兩端各1個連接 器，損耗取0.5dB/個；max2sRecpfjcPPMPLMsPRPMepPc 光纖衰減系數，干線用G.652光纖，分1、2兩級, 1級光纖：1310nm 、1550nm 2級光纖：1310nm 、1550nm 每千米光纖平均接頭損耗，取0.03dB/km； 線路富余度，

9、取0.04dB/km；fjMcmax2sRecpfjcPPMPLM0.36/fdB km0.22/fdB km0.4/fdB km0.25 /fdB km WDM系統光復用段的距離不是無限的，與之對應的再生段的配置也不同，如: 克服光纖衰耗的方法：高輸出功率的激光源; 高靈敏度的光端機; 光放大器; 光放大器解決了什么問題，又引發了什么問題？8 22dB5 30dB3 33dB2.3.2 色散光纖色散主要有:模間色散、材料色散、波導色散、偏振模色散。波長色散: ( )mwpDDDD 色散,在光纖通信系統中表現為光源光譜中不同波長分量因在光纖中的群速不同所引起的光脈沖展寬，正色散使得光脈沖被展寬

10、，負色散使得光脈沖被縮窄。 思考：色散損耗和傳輸損耗對光通信系統的影響相同嗎？ 答：不同。色散主要造成脈沖展寬和啁啾效應。 （1）脈沖展寬：脈沖展寬是光纖色散對系統性能影響的最主要表現。當傳輸距離超過色散長度時，脈沖展寬過大，這時系統將產生嚴重的碼間干擾和誤碼 （2）啁啾效應：色散不僅僅是脈沖展寬，還使脈沖產生了相位調制。這種相位調制使得脈沖的不同部位對中心頻率產生了不同的偏離量，具有不同的頻率，即脈沖的啁啾效應。 關于PMD 什么是PMD？ 造成PMD的原因？2.3.3 色散補償 一、什么是色散補償？ 色散參數的意義： 色散補償的實施：在G652中每隔一定距離插入 長度調整好的色散補償光纖

11、對色散進行補償，使整個傳輸 線路總色散為零。/ps nm km二、色散補償原理 色散補償是當光脈沖信號經長距離傳輸后由于色散效應而產生脈沖展寬畸變。這時可以通過色散補償光纖來修正，目的是消除展寬畸變。 三、色散補償光纖結構四、DCF性能 （a）色散 （b）傳輸損耗 （c）連接損耗 （d）彎曲損耗五、DCF主要特點（1）DCF可放在線路中的兩個EDFA之間的任何位置；（2）DCF色散補償量可以控制，性能穩定；（3）DCF在1550nm處具有很大的負色散。（4）DCF雖然引入插入損耗，但可通過EDFA彌補。DCF品質因素: 可用于確定由DCF所引發的光信噪比OSNR (/)(/)(/)ccDps

12、nm kmFOM ps nm dBdB kmgg六、DCF放置注意事項 a）無須破壞光纜； b）光信號進入DCF前先進行功率放大； c）應限制DCF最大注入光功率。七、DCF優勢與不足 a）帶寬大，能同時對多個WDM信道進行色散補償； b）色散補償能力是固定的； c）有效面積只有19m； d）需要的DCF的長度長增加了傳輸衰耗。八、色散補償距離 色散補償距離=傳輸距離-光源色散受限距離+調整； 其中，調整量一般為 030km “色散受限距離” 與 “色散補償距離”？色散平坦光纖 DFF 特點：長波長波段低損耗、低色散。（13001600nm） 分類：W型DFF、多包層DFF；布拉格光柵光纖 原

13、理：通過三端口光環形器，使長波長分量在布拉格光柵初始端發生反射，進而提升群速；使短波長分量在末端才反射，降低群速；來扼制波長分量的展寬，達到色散補償目的。高階模色散補償光柵 HOM-DCF兩種負色散光纖：一、DCF 工作波長基于基模LP01；二、HOM 工作波長基于高階模LP11 通過在接近截止波長處工作的LP11模的負色散來實現 色散補償； HOM面積較DCF大； 通過改變模的截止波長或HOM的長度來改變其補償能 力，在整個波長范圍內對色散和色散斜率同時補償 ；其他色散補償方法： 超長寬帶光柵、采樣離散信道光柵、可調色散補償 色散管理方法 （1）控制系統工作波長使其盡量在零色散波長附近； （

14、2）設法對色散進行補償，使總色散減小甚至等于零； （3）充分利用色散來抵消非線性效應的影響。 光通道的色散使不同的載頻傳輸時延發生差異，造成接收波形失真，這種影響就是自相位調制SPM。SPM使得光波形變窄，補償了光通道色散對波形展寬的效應。 色散管理在全光網中的應用 （1）負色散光纖 廣域網和城域網：首選負色散光纖； 接入層局域網 ：首選窄譜線的激光器；（2）啁啾光柵光纖 補償能力與帶寬成反比，當用于WDM全光網， 難以同時補償多路波分復用信號。 2.4 非線性效應 原因：在光場的作用下，光波信號和光纖介質相互 作用的一種物理效應。弱光場入纖時，介質 呈現線性變化。強光場入纖時，介質表現出 非

15、線性物理效應。 分類：散射效應、折射率效應一、散射效應 之 受激拉曼散射（SRS）在G652光纖上SRS導致1dB光功率代價的條件為： N：通道數 P:每個通道的光功率 (1)500N PNfGHz W g gggSRS效應對WDM系統的影響： (1) 導致各復用通路的信號出現不均衡。 (2) 引入串話。 消除SRS效應:降低入纖光功率; 調整放大器的增益曲線； 增設光功率均衡站 ;如何利用SRS效應？利用拉曼增益制作分布式拉曼放大器提供分布式放大。一、散射效應 之 受激布里淵散射（SBS） SBS & SRS： (1) 峰值SBS增益比SRS大2個數量級； (2) SBS頻移（101

16、3GHz）和增益帶寬20100MHz遠遠 小于SRS的相應值； (3) SBS只出現在后向散射方向，其影響大于SRS的影響。 當泵浦光的譜線寬比布里淵帶寬小很多時，產生SBS影響的門限功率可以表示為： ：激光器發射光譜的線寬（MHz）； ：單位mW 減緩SBS的影響，通過提高SBS門限 。0.03thPthP提高SBS門限的方法？ 方法一，通過利用一個重復頻率為1020KHz、頻偏為 1001000MHz的信號對中心波長進行弱頻調制 方法二，SBS功率閾值與信號調制方式和碼速率有關，采 用適當的調制技術也可以提高SBS功率閾值。二、折射率效應 折射率效應也稱為克爾效應。即光纖的折射率n隨著光強

17、的變化而變化的非線性現象。 表達式：克爾效應引起三種不同的非線性效應：SPM、XPM、FWM 02/effnnn P A二、折射率效應 之 自相位調制（SPM） 在強光脈沖持續的時間內，折射率發生變化， 脈沖峰值的相位對前沿、后沿來說產生延遲、加速。 隨著傳輸距離加大，相移不斷積累，達到一定距離后顯示出相當大的相位調制，從而使得光譜脈沖縮窄 自相位調制SPM。 注：相位的導數是頻率 G652光纖的1550nm窗口處由SPM引起的非線性影響的結果有兩種可能： 當D為正值 ，光載波的群速度與載波頻率成正比，脈沖被壓縮變窄 ，延長了色散受限距離 ； 當D為負值 ，縮短了色散受限距離 ； SPM的效果

18、與輸入信號的光強度成正比，與光纖衰減系數以及有效纖芯面積成反比。 當信號傳輸15-40km時，光功率已經衰減到不足以產生非線性的閾值。 另外，利用低色散光纖也能夠減少SPM對系統性能的影響。 二、折射率效應 之 交叉相位調制（XPM） 由于XPM引入了信號譜展寬，再加上光纖介質色散影響，會使得信號脈沖在經過光纖傳輸后產生較大的時域展寬并在相鄰波長通路產生干擾。 XPM造成的系統代價與復用通路的間隔成反比，與復用通路數量成正比。 多波長系統中，為了抑制XPM引起的串音代價，采用G652光纖的WDM系統的最小通路間隔用下式來評估：2fAWB D Mg g二、折射率效應 之 四波混頻（FWM ) 通

19、常FWM效率取決于通路間隔和光纖色散。 隨著WDM系統的波長數量越來越多，為了在同樣光放大器頻帶內部容納更多的波長數，波長信道間隔趨向于越來越小，FWM的影響也隨之增加。 為了克服FWM效應引起的串音干擾，不同波長之間的最小通路間隔應滿足下列式子： 在所有的非線性效應中，只有FWM的門限功率最低，0dBm左右。 0.25M PWDgG652：在1550nm有足夠的色散，可以抑制FWM，可以 用于支持WDM系統應用。但色散太大，對于長距 離或者高比特率的傳輸需要進行色散補償。G653：1550nm窗口為零色散窗口，不能抑制FWM，不 能用在WDM系統中；G655：既達到對非線性抑制的作用，又小到

20、足以進行長 距離的高速傳輸，是WDM系統的理想首選。非線性效應對（含有OA）傳輸系統的影響主要影響SRSSBSSPMXPMFWM減小信道間隔增加信道數增加信道功率增加區段數增加信道比特率非線性效應對（含有OA）傳輸系統的影響主要影響SRSSBSSPMXPMFWM減小信道間隔增加信道數增加信道功率增加區段數增加信道比特率三、解決非線性效應的方案（1）不等間距信道間隔方案。通過選擇通道頻率來實現（2）部分等間距信道間隔方案。 （3）等間距信道間隔方案。常用于WDM系統.2.4.3 光孤子 1、光孤子的概念 某個相干光脈沖在通過光纖時，其脈沖前沿部分 作用光纖使之激活，而后沿部分則受到光纖的作用獲得

21、增益。 前沿失去的和后沿獲得的能量相互抵消。結果使得光脈沖傳輸時沒有任何形狀上的變化，即形成一個穩定的光孤子。這樣的光孤立子能夠傳輸很長距離而不發生波形變化。2、光孤子通信系統 孤子源：是增益開關分布反饋半導體激光器， 該激光器依靠大電流的注入形成窄脈沖，結構 簡單，而且重復頻率可調 。3、光孤子通信系統放大方式工作原理：周期性地置入光放大器，通過調整光放大器的增益 補償光纖損耗，使得由于非線性效應所導致脈沖壓 縮補償群色散帶來的影響，以確保光孤子寬度穩定。 缺點：光孤子傳輸受動態調整，加之色散因素影響，放大 級數越多，色散效應越強。解決方法：減小放大器間距。工作原理：向光纖注入泵浦光使其產生

22、拉曼效應。當拉曼增益 與光纖損耗等同時，光孤子將在任意距離上傳輸。 缺點：無法確保每處泵浦光功率都相同。解決方法：每隔一定的距離注入泵浦光對拉曼放大提供能量。4、光孤子通信特點 （1）容量大 （2）誤碼率低、抗干擾能力強 （3）無需電中繼站 5、色散控制光孤子方案 概念：色散管理孤子DMS，就是非線性系統中的 周期色散補償，通過周期性地配置正負色 散光纖從而使得傳輸線上的平均GVD很小 ，這就大大簡化了對傳輸光纖的特殊要求。 色散控制光孤子方案： 色散補償技術用于光孤子通信系統可對ASE噪音、孤子相互作用與色散波等進行控制，達到提高系統傳輸速率，增大傳輸距離和通信容量的目的。 補償方案有：終端正色散補償與在線濾波控制混合補； 周期性集中式色散補償 ； 周期性分布式補償。2.5 光波長分配 1、為什么要實現波長標準化？（1）波長標準化是達成橫向兼容的第一步；（2）為不同廠家的產品在物理層上互連提供可能；（3）為全光網絡的“虛